62 000 DWT多用途船的船型优化

2023-12-27马雪泉张立蒋曙晖苑志江吕明冬

船海工程 2023年6期

马雪泉,张立,2,蒋曙晖,苑志江,吕明冬

(1.上海船舶运输科学研究所有限公司 a.航运技术与安全国家重点实验室;b.航运技术交通行业重点实验室,上海 200135;2.哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨 150001;3.上海船舶研究设计院,上海 201203;4.海军大连舰艇学院,辽宁大连 116013)

随着计算机技术的发展,船型优化方法已从人工方法朝着自动优化的方向发展,并衍生出了一些自动优化工具,学者们的研究表明,船型优化工具可以提升船舶设计的高效性必要性和可实现性[1-4],也为船型优化工作的开展提供了重要参考。

为设计出国内较大吨位的多用途重吊船,以一艘在运营状态的62 000 DWT散货船作为母型船,对其进一步优化,优化的目标是使优化船型在结构吃水和设计吃水的装载状态具有更优的快速性能。

首先对母型船在结构吃水和设计吃水状态进行数值模拟,得到船体静水阻力和船体表面的压力梯度分布、兴波特性,由此然后针对艏部进流段和船艉去流段展开线型优化,以降低兴波阻力;对船舶尾部去流段的长度进行加长,以减小去流段流动分离区域;对艏部线型进行优化,以降低船舶的兴波阻力。然后对船艉的尾部流场进行优化,以降低船体的粘压阻力,改善螺旋桨附近的伴流场,对船体阻力和流场进行计算,并采用模型试验验证优化船型的快速性能。

1 优化目标和优化策略

传统的船型优化方法是从母型船出发,通过人工调整对母型船局部位置不断调整,获得满足目标要求的优良线型。目前较为先进的方法是结合几何重构技术、数值模拟和优化算法,对船体曲面几何的目标指标迭代计算,优选出符合设计要求的目标船型。

1.1 船型主尺度和优化目标

母型船主尺度为:船长LPP=222.60 m、船宽B=40.00 m,设计吃水Td=11.30 m,目标航速为14.5 kn;结构吃水Ts=13.50 m,目标航速为14.0 kn。优化目标为:在保证排水体积和主要布置变化不大的情况下,设计吃水和结构吃水下的静水阻力降低1%以上。

1.2 优化策略

母型船的线型经过模型试验和实船试航的验证,具有良好的快速性能,在其基础上进行优化时,船型优化的难度较大,经过分析,优化主要从以下方面开展工作。

1)对母型船开展CFD数值模拟,分析结构吃水和设计吃水状态下目标航速点的流场信息,如兴波、船身压力、船身侧面的流线等。

2)确定压力梯度分布不均匀的区域和流线变化较大的区域,进而确定进行几何变换的区域。

3)开展船体几何曲面自动变换和数值计算评估工作。利用多工况优化方法,以设计吃水和结构吃水的阻力结果为优化目标,设置结构吃水和设计吃水的阻力降低权重分别为50%,即计算目标总阻力=设计吃水工况阻力×50%+结构吃水工况阻力×50%,基于计算目标实施优化工作,筛选出计算目标下的最优结果。

4)基于Star-ccm+软件设置不同的网格密度,进行网格收敛性验证,对优化结果进行再次验证,并与母型船的计算结果进行对比。

5)采用优化船型进行阻力和自航试验,验证船型的性能。

2 船体线型优化

设定优化目标,确定优化策略,利用CAESES实现船体局部几何变形,Shipflow用以求解阻力结果并利用NSGA-II优化算法进行船体线型优化,最终得到的母型船和优化船型的主尺度对比见表1。

表1 母型船和优化船型的几何参数对比

与母型船相比较,优化船型的方形系数Cb保持一致,艉部机舱段线型保持不变,艉轴出口向前移动0.05 m。优化船型在设计吃水下的LCB向前移动0.20 m,在结构吃水下的LCB前移0.18 m。同时,优化船型的进流段长度和去流段均有所增加。

3 优化后阻力性能结果对比

将母型船和优化船型在Star-ccm+软件中经过网格收敛性验证,计算得到更加丰富的结果,从阻力、兴波、流线等方面对比母型船和优化线型。

3.1 阻力优化结果

设定缩尺比为λ=28.75,分别计算模型尺度母型船和优化船型在设计吃水和结构吃水下的目标航速附近的静水总阻力,结果见表2。

表2 优化效果对比

在设计吃水和结构吃水状态下,阻力分别降低1.64%和2.10%,达到了优化目标。

3.2 水面兴波对比

以设计吃水和结构吃水的目标航速下的计算结果为例,水面兴波结果见图1。

图1 自由表面兴波对比

图1中,上半部分为母型船结果,下半部分为优化船型的结果。图1a)中,优化船型的船身周围的流场较为平缓,舷侧的自由面兴波的波高较小,船艉兴波的较小,波形较为平缓。图1b)中,在结构吃水的目标航速下,优化船型的自由面兴波更小,且波形分布较为平缓。

3.3 船身表面压力对比

船身压力对比见图2。

图2 船身表面压力

图2a)和图2b)中,优化船型的船艏附近,压力分布更均匀,去流段的压力更小,并且舷侧的自由面波高更小。同样,在图2c)和图2d)中优化船型的船艏和舷侧区域的压力分布更均匀,舷侧的自由面波高更小。

3.4 流线对比

在船身周围布置相同的流线种子,得到的结果见图3。

图3 流线结果

图3a)和图3b)中,母型船在船艏的局部位置出现了较高的兴波,优化船型的流线分布均匀,且艏部没有出现较高的兴波。在自由面以下的位置,优化船型的流线分布较为平稳,表明流场更为稳定。图3c)和图3d)中,母型船和优化船型在结构吃水时,艏部和艉部的流线结果较为近似,但是优化船型舷侧的流线分布更加均匀。

3.5 伴流分布对比

在母型船和优化船型的桨盘面附近的相同位置,截取伴流分布,见图4。左侧为母型船,右侧为优化船型的伴流。

图4 桨盘面处伴流分布对比

图4a)中,母型船和优化船型在设计吃水的14.5 kn时,伴流分布近似,但是优化船型的高伴流区域的垂向位置略低,集中在桨毂附近,在一定程度上,优化船型的伴流分布更有利于改善推进性能。图4b)中,在结构吃水Ts=13.50 m,目标航速Vs=14.0 kn时,优化船型的高伴流区域范围更小,高伴流区域的垂向高度较低,主要集中在螺旋桨的桨毂附近,优化船型的伴流分布形式有助于提升螺旋桨的推进效率。

3.6 不同吃水状态和速度下的阻力

计算不同吃水状态和不同速度下的总阻力,结果见表3。

表3 不同状态和速度下的总阻力计算结果

由表3可见,3个不同吃水状态、不同速度下的总阻力结果表明,优化船型的阻力性能更加优良,证明本次船型优化达到了优化目的。

4 试验验证

为了验证该船型的快速性能,使用相同缩尺比的船模在上海船舶运输科学研究所深水拖曳水池进行结构吃水状态下的阻力性能和自航性能试验,试验现场局部见图5,采用ITTC推荐方法分析试验结果。

图5 模型试验现场(Ts=13.50 m)

经试验验证和分析,结构吃水Ts=13.50 m状态下,对应实船航速为13.0、14.0、15.0 kn时,模型试验阻力结果与数值计算的误差分别为-0.61%、-0.44%、-2.37%,验证了数值计算结果的准确性较好;进行自航试验后,对应的推力减额t约为0.19,相对旋转效率ηr约为1.01,在船型数据库中进行比较,认为该船的快速性能指标达到了较好的水平。